物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)裝備行業(yè)的前景分析及實(shí)施方案的討論與驗(yàn)證

高 超，楊 盼，王 嘯，沈祥兵，劉 勇

(湖北省地質(zhì)勘查裝備中心,湖北 武漢 430034)

國家政策的大力扶植,以及物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信、云計(jì)算等技術(shù)的飛速發(fā)展,為“物聯(lián)網(wǎng)+地質(zhì)”提供了良好的外部環(huán)境和實(shí)施的硬件基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)+傳統(tǒng)行業(yè)的興起,又為“物聯(lián)網(wǎng)+地質(zhì)”提供了無限想象空間,并且是未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。騰訊首席執(zhí)行官馬化騰曾表示“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)正在從消費(fèi)品工業(yè)向裝備制造和能源、新材料等工業(yè)領(lǐng)域滲透,將全面推動(dòng)傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變”。此外,地質(zhì)裝備行業(yè)目前信息化水平較低,供需關(guān)系呈現(xiàn)供大于求的狀態(tài),一旦物聯(lián)網(wǎng)化,可能會(huì)迅速發(fā)展成為物聯(lián)網(wǎng)滲透率很高的行業(yè)?！拔锫?lián)網(wǎng)”比較容易在行政壟斷較少、市場(chǎng)化程度較高的領(lǐng)域取得突破,比較難于在行政壟斷壁壘高的行業(yè)突破,地質(zhì)單位長期處于半事半企狀態(tài),市場(chǎng)化程度較低,思想觀念陳舊閉塞,這無疑會(huì)阻礙“物聯(lián)網(wǎng)+地質(zhì)”的進(jìn)程。盡管物聯(lián)網(wǎng)在傳統(tǒng)行業(yè)呈現(xiàn)遍地開花的發(fā)展景象,然而由于長期處于封閉建設(shè)狀態(tài),地質(zhì)裝備行業(yè)仍然處于物聯(lián)網(wǎng)的荒漠地帶。隨著物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)社會(huì)生產(chǎn)生活的不斷滲透融合,物聯(lián)網(wǎng)是未來傳統(tǒng)行業(yè)發(fā)展的大勢(shì)所趨和必然選擇。地質(zhì)裝備行業(yè)應(yīng)加快樹立物聯(lián)網(wǎng)的思維,盡快打破行業(yè)壁壘,引入物聯(lián)網(wǎng)的新經(jīng)濟(jì)業(yè)態(tài),實(shí)現(xiàn)行業(yè)發(fā)展突破。

1 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

一般而言,物聯(lián)網(wǎng)可視為一種非常復(fù)雜、形式多樣的綜合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng),根據(jù)信息的產(chǎn)生、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)處理及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的應(yīng)用過程可以把該網(wǎng)絡(luò)分為感知層(感知設(shè)備)、網(wǎng)絡(luò)層(網(wǎng)絡(luò)傳輸)及服務(wù)層(應(yīng)用/中間件),如圖1所示[1]。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)分層圖Fig.1 Hierarchical diagram of internet of things

2 物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)方式

物聯(lián)網(wǎng)說到底是互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展,將各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn),人、機(jī)、物的互聯(lián)互通。要實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸有如下三種方式。

2.1 利用人機(jī)交互界面搭建物聯(lián)網(wǎng)

對(duì)于使用PLC作為控制核心,觸摸人機(jī)界面作為指令輸入輸出的設(shè)備來說,在人機(jī)界面這一端實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)化,市場(chǎng)上有大量成熟的產(chǎn)品可用。例如筆者單位大量使用的威綸通觸控屏(圖2),可以直接使用其帶網(wǎng)絡(luò)功能的高端型號(hào),可不用再像傳統(tǒng)上需要關(guān)心IP，設(shè)定路由，開放端口,也無需費(fèi)時(shí)費(fèi)力架設(shè)VPN網(wǎng)絡(luò),即可隨時(shí)利用廠家提供的電腦端、App、微信小程序遠(yuǎn)程監(jiān)控維護(hù)。最重要的是之前編寫的人機(jī)界面程序可無縫升級(jí),耗費(fèi)人力資源很少。

圖2 帶網(wǎng)絡(luò)接口的人機(jī)界面Fig.2 Man machine interface with network interface

但其缺點(diǎn)同樣很明顯,首先從成本上看,帶網(wǎng)絡(luò)功能產(chǎn)品售價(jià)是普通型號(hào)的幾倍甚至十幾倍,其次這樣的升級(jí)只適用于本身就帶PLC的設(shè)備,另外這種方式一般只適用于對(duì)單臺(tái)設(shè)備的遠(yuǎn)程操控,即使用現(xiàn)場(chǎng)總線的方式連接多臺(tái)PLC進(jìn)行批量控制,仍然有較大的局限性。所以此種物聯(lián)網(wǎng)化方式只適合于設(shè)備附加值較高、控制數(shù)量較少的產(chǎn)品使用。

2.2 利用數(shù)傳網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)

數(shù)傳網(wǎng)關(guān)就是數(shù)據(jù)傳輸單元DTU(Data Transfer Unit),是專門用于將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送的無線終端設(shè)備。簡(jiǎn)單來說就是購買一個(gè)帶有串口或其他現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)備,用于與PLC通訊,然后將數(shù)據(jù)和指令通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到網(wǎng)關(guān)設(shè)定的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上,需要按照網(wǎng)關(guān)生產(chǎn)廠家規(guī)范重新編寫一套網(wǎng)絡(luò)人機(jī)交互界面,發(fā)送的指令可以提前寫好,中間的數(shù)據(jù)傳輸完全交給數(shù)傳網(wǎng)關(guān)處理。這樣一套設(shè)備售價(jià)在千元—數(shù)千元,投入不是很大,但缺點(diǎn)同樣比較明顯,同樣需要建立在PLC的基礎(chǔ)上,需要重新編寫人機(jī)界面。此外以上兩種方法都只能采用廠家提供的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)登陸,軟件方面受制于第三方,無法獲得個(gè)性化的應(yīng)用端體驗(yàn)。

2.3 利用控制核心MCU實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)

MCU即單片機(jī),原來只負(fù)責(zé)執(zhí)行基本程序和開展基本運(yùn)算,大量運(yùn)用于需要簡(jiǎn)單控制和低功耗要求的家用設(shè)備和工業(yè)設(shè)備上,但隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,出現(xiàn)了大量帶網(wǎng)絡(luò)功能的單片機(jī),其發(fā)展分為兩個(gè)方向：一種是強(qiáng)調(diào)采集和傳輸,有些應(yīng)用(如攝像頭內(nèi)容分析)的模型部署在云端,即終端把原始數(shù)據(jù)完全回傳給云端,云端在該數(shù)據(jù)上執(zhí)行深度學(xué)習(xí)模型的推理,之后把結(jié)果發(fā)回給終端,終端再根據(jù)云端的結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)操作;一種是強(qiáng)調(diào)本地計(jì)算和學(xué)習(xí)能力,例如自動(dòng)駕駛等應(yīng)用中模型必須部署在終端,即終端收集到數(shù)據(jù)后在本地執(zhí)行深度學(xué)習(xí)模型的推理,并根據(jù)結(jié)果作出相應(yīng)動(dòng)作。在智能工業(yè)等需要在終端執(zhí)行深度學(xué)習(xí)模型推理的場(chǎng)景,原來用來執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作的MCU就必須能夠支持這樣的深度學(xué)習(xí)推理計(jì)算,這也就是MCU的智能化。

運(yùn)用高度集成網(wǎng)絡(luò)功能的MCU直接控制設(shè)備,最大的好處是超低成本,部分型號(hào)的芯片模塊甚至只需要幾元錢就能買到,輔以少量信號(hào)處理電路就可實(shí)現(xiàn)許多功能。缺點(diǎn)是需要懂得App開發(fā)(iOS/Android/Windows)、服務(wù)器開發(fā)、嵌入式軟件開發(fā)、硬件開發(fā)、算法協(xié)議、前端開發(fā)的一批技術(shù)人員,門檻較高。

3 地質(zhì)裝備行業(yè)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的需求

近年來,隨著地質(zhì)裝備行業(yè)逐漸向智能化方向發(fā)展,地質(zhì)裝備的物聯(lián)網(wǎng)化需求主要集中在兩個(gè)方向：一是地質(zhì)裝備的實(shí)驗(yàn)室管理。許多科研單位和大專院校要求把每臺(tái)設(shè)備的信息都能夠通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行收集整理匯總,便于對(duì)實(shí)驗(yàn)室尤其是重點(diǎn)設(shè)備的管理和監(jiān)控[2]；二是地質(zhì)裝備的野外管理。由于工作現(xiàn)場(chǎng)的隨機(jī)性、工作環(huán)境的不確定性,故對(duì)地質(zhì)裝備的管理還主要停留在初步的人工管理階段。可以為每一個(gè)地質(zhì)裝備或某組裝備(如鉆探機(jī)械)中的每一個(gè)組件(如支架)加上傳感器和物聯(lián)網(wǎng)芯片,這樣不但可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理,還可以與設(shè)備一起進(jìn)行某些測(cè)量(如隨鉆測(cè)量泥漿成分、地下的溫度和壓力等),直接將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器進(jìn)行備案或更為詳細(xì)的分析。

此外,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)因其覆蓋面廣、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精確度高,在地質(zhì)調(diào)查、地災(zāi)預(yù)防領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景,利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)預(yù)警、遠(yuǎn)程傳輸和低耗電等關(guān)鍵技術(shù),研制地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警儀,在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)、活動(dòng)頻繁點(diǎn)、可能發(fā)生地部署,可以預(yù)警泥石流、地陷、崩塌、地面沉降、地震等各類地質(zhì)災(zāi)害,將有效避免人民群眾生命及財(cái)產(chǎn)的損失。

綜上所述,筆者認(rèn)為地質(zhì)裝備行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)需求是低成本、大范圍、多點(diǎn)位布置,其研究方向應(yīng)該集中在第三種,即高集成、低功耗、低成本,適宜大量部署的物聯(lián)網(wǎng)MCU上。

4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

搭建物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的傳統(tǒng)做法是搭建物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器,聯(lián)合嵌入式與云端開發(fā)人員共同開發(fā),不僅開發(fā)工作量大、效率低,而且需要大量的投入,對(duì)于中小企業(yè)來說存在各類阻礙。針對(duì)此類嚴(yán)重制約企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的問題,市場(chǎng)上出現(xiàn)了以阿里云、騰訊云、百度云為代表的一系列物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái),這類平臺(tái)不僅提供了大量詳細(xì)的搭建教程,而且可以根據(jù)接入流量計(jì)費(fèi),大大降低中小企業(yè)加入物聯(lián)網(wǎng)的門檻,更加令人驚喜的是,阿里云平臺(tái)還提供應(yīng)用生成工具,利用可視化應(yīng)用端搭建工具,直接生成網(wǎng)頁終端界面,減少客戶端軟件開發(fā)周期和技術(shù)要求。

經(jīng)過多方比對(duì),筆者最終選取了基于樂鑫科技ESP8266芯片的NodeMCU開發(fā)板,這是一塊專門面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的高集成MCU,其零售價(jià)低至十幾元人民幣,而且可以利用arduino的開發(fā)IDE進(jìn)行編程。

首先登入阿里云平臺(tái)的開發(fā)后臺(tái),新建一個(gè)產(chǎn)品并命名為“地創(chuàng)物聯(lián)”,建立設(shè)備模型,定義通訊參數(shù),如圖3所示，之后將獲得產(chǎn)品識(shí)別碼等一系列密鑰,這就是所有物聯(lián)網(wǎng)芯片在網(wǎng)絡(luò)上的身份代碼,這樣阿里云才能識(shí)別并正確連接設(shè)備。

圖3 阿里云后臺(tái)開發(fā)界面Fig.3 Development interface of Alibaba cloud background

在導(dǎo)入阿里云為arduino開發(fā)的IotSDK后,寫入以下核心代碼：

void setup()

{

pinMode(LED_BUILTIN,OUTPUT);

Serial.begin(115200);

wifiInit(WIFI_SSID,WIFI_PASSWD);

AliyunIoTSDK::bindData("LightSwitch",powerCallback);

}

unsigned long lastMsMain = 0;

void loop()

{

AliyunIoTSDK::loop();

②螺栓在下降的過程中，首扣出現(xiàn)了磕碰，造成了螺紋凸出螺紋表面，在旋入的過程中不斷把螺牙上的材料帶下來最終超過擰入的力矩保護(hù)值。咬死螺栓拆除后發(fā)現(xiàn)首扣螺紋有變形。

if (millis() - lastMsMain >= 5000)

{lastMsMain = millis();

}

}

voidpowerCallback(JsonVariant p)

{

intPowerSwitch = p["LightSwitch"];

if (PowerSwitch == 1)

{

Serial.println("Switch=1 from gaochao");

digitalWrite(LED_BUILTIN,LOW);

}

else

{

Serial.println("Switch=0 from gaochao");

digitalWrite(LED_BUILTIN,HIGH);

}

}

在給MCU通電后,發(fā)現(xiàn)后臺(tái)已經(jīng)可以直接操縱板載LED燈的開閉,對(duì)代碼稍加改動(dòng),還可以實(shí)現(xiàn)燈亮度的明暗控制和定時(shí)控制,對(duì)應(yīng)在地質(zhì)設(shè)備上最常用的啟停、調(diào)速、定時(shí)應(yīng)用已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn),之后筆者申請(qǐng)了一個(gè)域名,并在后臺(tái)將操作頁面綁定至此域名,實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)隨地利用網(wǎng)頁監(jiān)控操作。此外,為了加強(qiáng)對(duì)設(shè)備在線離線狀態(tài)的監(jiān)控,還從阿里云的應(yīng)用后臺(tái)提取Webhook代碼嵌入到釘釘群組中,就可以由釘釘App群機(jī)器自動(dòng)發(fā)布設(shè)備上線離線提醒,更加方便對(duì)地質(zhì)災(zāi)害、火警等緊急情況的24小時(shí)報(bào)警監(jiān)控。

物聯(lián)網(wǎng)不是現(xiàn)有技術(shù)的顛覆性革命,而是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的綜合運(yùn)用,在地質(zhì)裝備領(lǐng)域中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)亦是如此。中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心早在2012年就聯(lián)合吉林大學(xué)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在地質(zhì)領(lǐng)域的適用性開展了研究,隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,必將一步步對(duì)地質(zhì)裝備行業(yè)產(chǎn)生更深遠(yuǎn)的影響。